A pesar del carácter general de la Termodinámica, su estudio ha estado muy relacionado al desarrollo de los sistemas de producción de trabajo. Por ello, siempre se insiste en las limitaciones de producción de trabajo de un sistema, limitación impuesta por el Segundo Principio.

Nosotros hemos relacionado la espontaneidad de los procesos que se dan en la naturaleza con la función de estado denominada entropía, que microscópicamente nos sugiere la probabilidad de los estados microscópicos posibles. Además, se dedujo que los procesos espontáneos son aquellos en que la entropía del universo crece, y que ésta crece debido a las irreversibilidades. Los procesos que se dan en la naturaleza son por lo tanto procesos irreversibles.

En un proceso irreversible, siempre se desperdicia una oportunidad de producir trabajo. Esto se puede pensar de forma intuitiva con algunos ejemplos. Si tenemos dos recipientes comunicados por una válvula, uno de ellos con un gas a elevada presión y el otro a presión atmosférica, al abrir la válvula el gas contenido en el recipiente a presión pasará al otro recipiente hasta que se igualen las presiones. Este proceso es espontáneo, la entropía global crece debido a la irreversibilidad que produce la diferencia de presiones existente entre los dos depósitos. La aplicación del primer principio nos indica que si mantenemos la temperatura del proceso constante y los depósitos son adiabáticos, la energía se conservará, ya que la energía interna del sistema no cambia. Sin embargo, intuitivamente se aprecia que en este proceso podríamos haber producido un trabajo, que en el estado final ya no podremos realizar. En efecto, la energía se ha conservado en este proceso, pero podríamos decir que se ha degradado, porque en el estado inicial teníamos la posibilidad de producir trabajo, mientras que una vez producido el proceso irreversible ya no es cierto.

Otro ejemplo de degradación de la energía debida a las irreversibilidades se produce cuando un cuerpo a elevada temperatura lo dejamos interaccionar en un ambiente frío, evolucionando hasta la temperatura del ambiente. Este es un proceso espontáneo, como sabemos, en el que crece la entropía global del sistema debido a la irreversibilidad que produce la diferencia de temperaturas entre cuerpo y ambiente. En este ejemplo la energía ha pasado del cuerpo al ambiente, conservándose de manera global, pero hemos perdido la posibilidad de ceder ese calor a una máquina térmica produciendo trabajo, y cediendo finalmente calor al ambiente (foco frío).

Un último ejemplo de cómo se pierde posibilidad de producir trabajo es el de un cuerpo a una cierta altura que cae hasta el suelo. En este proceso la energía potencial (interna) del cuerpo dada su altura, se ha transformado en energía cinética (interna) en su caída, transformándose finalmente en aumentar la temperatura del cuerpo (interna). También se trata de un proceso espontáneo con aumento de entropía, en donde hemos perdido la posibilidad de producir un trabajo. Si hubiésemos dispuesto un cable en el cuerpo, por medio de una polea, podíamos haber utilizado la energía de la caída para elevar una carga.

El segundo principio establece que en el sentido de los procesos espontáneos va en el sentido de las temperaturas decrecientes, de las presiones decrecientes, de las alturas decrecientes. En definitiva, el segundo principio limita el sentido decreciente de las propiedades intensivas del sistema que son las que producen trabajo. Recordamos en este punto que el trabajo procede siempre de una diferencia en una propiedad intensiva. Una diferencia de presiones (Δp) produce movimiento en un fluido capaz de producir trabajo, una diferencia de temperaturas (ΔT) produce un flujo de calor que puede producir trabajo, una diferencia de alturas (Δz) produce un movimiento en los cuerpos capaz de producir trabajo, etc.

Como conclusión, otra limitación que impone el segundo principio es que en los procesos espontáneos, que son los que vemos todos los días la naturaleza, se disminuye inexorablemente la capacidad de producir trabajo, debido a la degradación de la energía producida por las irreversibilidades. Desde este punto de vista, se dice, que el primer principio de la termodinámica es el principio de la conservación de la energía o de la cantidad de energía, mientras que el segundo es el principio de la degradación de la energía o de la calidad de la energía

Mar, 02/12/2008 - 14:54